CN111157605A - 用于同位素测量的加速器质谱装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于同位素测量的加速器质谱装置，其包括离子源、注入系统、加速管、气体剥离系统、分析系统以及探测系统，其中，离子源与注入系统连接，注入系统的输出端与加速管连接，加速管的输出端与气体剥离系统连接，气体剥离系统的输出端与分析系统连接，分析系统连接至探测系统；离子源用于产生同位素负离子；注入系统对同位素负离子进行分离，并且使同位素负离子交替注入加速管；加速管对经注入系统分离后的负离子进行加速；气体剥离系统将加速后的负离子转化为正离子，同时将分子离子瓦解；分析系统对正离子进行分析后将正离子送入探测系统，探测系统对上述正离子进行测量。本发明的装置结构紧凑、涉及的操作流程简单。

Description

用于同位素测量的加速器质谱装置

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于同位素测量的加速器质谱装置。

背景技术

加速器质谱装置是一种基于加速器技术和离子探测器技术的高能量同位素质谱装置，可用于核素测量以及同位素丰度比值测量。对于核素测量，例如测量¹⁴C，可有效排除各种本底干扰，提高测量灵敏度；对于同位素丰度比值测量，目前，采用将同位素先后交替加速、交替测量的分析方法，例如测量碳同位素，通常需要将¹²C、¹³C和¹⁴C进行交替注入，以获得各同位素之间的丰度比，然而，这种同位素测量方法，对注入磁铁的能量、交替频率等具有一定要求，使测量变得复杂。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于同位素测量的加速器质谱装置，用于测量单核素或同位素的丰度比值，该装置结构紧凑、占地面积小、涉及的操作流程简单。

根据本发明的一个方面，提供一种用于同位素测量的加速器质谱装置，包括：离子源、注入系统、加速管、气体剥离系统、分析系统以及探测系统，其中，所述离子源与所述注入系统连接，所述注入系统的输出端与所述加速管连接，所述加速管的输出端与所述气体剥离系统连接，所述气体剥离系统的输出端与所述分析系统连接，所述分析系统连接至所述探测系统；其中，所述离子源用于产生同位素负离子；所述注入系统对所述同位素负离子进行分离，并且使所述同位素负离子交替注入所述加速管；所述加速管对经所述注入系统分离后的负离子进行加速；所述气体剥离系统将所述加速后的负离子转化为正离子，同时将分子离子瓦解；所述分析系统对所述正离子进行分析后将所述正离子送入所述探测系统，所述探测系统对上述正离子进行测量。

进一步的，所述注入系统包括注入磁铁、交替注入单元和测量单元，所述测量单元设置在所述注入磁铁的输出端；所述注入磁铁用于将所述离子源产生的负离子偏转至预设轨道；所述交替注入单元用于将所述负离子交替注入至所述加速管；所述测量单元用于对部分所述负离子测量。

进一步的，所述测量单元为偏置法拉第杯。

进一步的，所述分析系统包括分析磁铁和静电分析器；所述分析磁铁的输出端设置偏置法拉第杯，用于测量经所述气体剥离系统产生的同位素正离子。

在其中一个实施例中，所述离子源及所述注入系统设置在具有预设电压的台架上，所述气体剥离系统、所述分析系统及所述探测系统均处于地电位。

在其中一个实施例中，所述气体剥离系统包括剥离管，所述剥离管的两侧设置分子泵。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：束流传输系统，所述束流传输系统设置在所述离子源与所述加速管之间；所述束流传输系统包括导向器和静电四级透镜，所述导向器设置在所述离子源与所述注入系统之间，用于调节束流位置；所述静电四级透镜设置在所述注入系统与所述加速管之间，用于对离子束流聚焦。

在其中一个实施例中，所述注入磁铁及所述分析磁铁均采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦二极磁铁。

进一步的，所述静电分析器采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦球面型静电分析器。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：设置在所述注入磁铁输出端的狭缝、设置在所述分析磁铁输出端的狭缝以及设置在所述静电分析器输出端的狭缝。

进一步的，所述探测系统包括探测器及数据分析测量单元，所述探测器测量经所述静电分析器分析后的正离子，所述数据分析测量单元测量同位素的含量及丰度比。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的加速器质谱装置的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

请参阅图1，本发明实施例的用于同位素测量的加速器质谱装置的一个实施例，该装置100包括：离子源10、注入系统20、加速管30、气体剥离系统40、分析系统50以及探测系统60，其中，离子源10与注入系统20连接，注入系统20的输出端与加速管30连接，加速管30的输出端与气体剥离系统40连接，气体剥离系统40的输出端与分析系统50连接，分析系统50连接至探测系统60；其中，离子源10用于产生同位素负离子；注入系统20对同位素负离子进行分离，并且使同位素负离子交替注入加速管30；加速管30对经注入系统20分离后的负离子进行加速；气体剥离系统40将加速后的负离子转化为正离子，同时将分子离子瓦解；分析系统50对正离子进行分析后将正离子送入探测系统60，探测系统60对上述正离子进行测量。

具体的，本发明加速器质谱装置对注入离子进行加速、剥离(可排除分子离子的本底干扰)后，进行动量、能量分析，最终在探测系统获得所需的核素并进行测量；同时的，通过在注入系统对同位素离子进行选择并交替注入，以测量所需的同位素丰度比值。该装置整体要求测量的能量低，便于操作，其各部分结构之间设置紧凑，可实现装置整体的小型化。

在上述实施例的基础上，参阅图1，注入系统20包括注入磁铁21、交替注入单元和测量单元22，测量单元22设置在注入磁铁21的输出端；注入磁铁21用于将离子源10产生的负离子偏转至预设轨道；交替注入单元用于将负离子交替注入至加速管30；测量单元22用于对部分负离子测量。

具体的，从离子源10引出的束流进入注入磁铁21，该注入磁铁21在一定的磁场强度下将具有磁刚度的离子偏转到既定轨道，由此，当离子源引出多种离子时，可根据设定注入磁铁的磁场强度将不同质量的离子分离开，从而偏转到不同的位置，并将所需测定的核素送入加速管中。进一步的，交替注入单元是将注入磁铁21的真空盒绝缘隔离，加入脉冲电压，通过加不同的电压使不同离子交替注入到加速器中，由此，对于各同位素离子，设定不同的交替电压，可实现其分别注入。进一步的，在注入磁铁21的输出端设置测量单元22，该测量单元22可将离子源引出的离子中的一部分首先测量，由此，使进入加速管的离子减少，并对最终期望获得的离子进行加速以及后续测量。

在上述实施例的基础上，参阅图1，测量单元22为偏置法拉第杯。测量单元22例如设置成两个可移动的法拉第杯，可用于稳定同位素的测量。通过对注入磁铁的磁场设定，使稳定同位素在经过注入磁铁21后偏置到测量单元22进行测量。

在上述实施例的基础上，参阅图1，分析系统50包括分析磁铁51和静电分析器52；分析磁铁51的输出端设置偏置法拉第杯53，用于测量经气体剥离系统40产生的同位素正离子。

具体的，分析磁铁51将经过气体剥离后的离子进行质量、能量和电荷分析，将所需核素送入下一单元，由此可排除部分杂质本底干扰；进一步的，静电分析器52对进入的离子进行能量选择后将待测核素送入探测系统。

其中，在分析磁铁51的输出端设置偏置法拉第杯53，对应注入系统20注入的同位素离子以及经气体剥离后的离子，在此可进行测量。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的另一个实施例，离子源10及注入系统20设置在具有预设电压的台架上，气体剥离系统40、分析系统50及探测系统60均处于地电位。

具体的，本发明采用单极加速的方式，将离子源10及注入系统20设置在例如负200kV的高压台架上，其余系统处于地电位，即通过加速管30将预设电位和地电位连接。加速管30对进入的束流进行加速，以提高粒子能量。本实施例中，加速管30采用大气绝缘，承受200kV的电压。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的另一个实施例，气体剥离系统40包括剥离管41，剥离管41的两侧设置分子泵42。

具体的，气体剥离系统40能将加速后的负离子转化为多电荷态的正离子，同时地，由于与负离子一同进入的还有分子离子，该分子离子经剥离后被瓦解成单原子正离子，以实现分子离子本底干扰的排除。

本实施例中，气体剥离系统40采用差分泵形式实现剥离气体气压的稳定和外部环境真空的要求。气体剥离系统40的中间设置剥离管41，剥离气体经针阀控制器进入剥离管41中；在剥离管41的两端设置分子泵42，以排除剥离管两端的气体，保持剥离管外部的真空度；同时在气体剥离系统40与分析磁铁51之间加设分子泵，进一步减少弥散到分析磁铁51的气体，排除散射本底。剥离气体例如可以是氦气。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的另一个实施例，装置100还包括：束流传输系统70，束流传输系统70设置在离子源10与加速管30之间；束流传输系统70包括导向器71和静电四级透镜72，导向器71设置在离子源10与注入系统20之间，用于调节束流位置；静电四级透镜72设置在注入系统20与加速管30之间，用于对离子束流聚焦。

具体的，为提高束流传输效率，本实施例设置束流传输系统70，其包括X-Y导向器71，用于通过电压调节束流的位置，使束流沿管道中心传输；还包括静电四级透镜72，其对束流进行聚焦，便于束流聚焦到气体剥离系统处。为消除像散，可采用二单元或三单元组合的四级透镜。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的另一个实施例，注入磁铁21及分析磁铁51均采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦二极磁铁。

具体的，根据质量分辨和束流光学的要求，注入磁铁21及分析磁铁51可设置具有一定的偏转半径和偏转角度等，根据测量需求设置。

在上述实施例的基础上，参阅图1，静电分析器52采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦球面型静电分析器。静电分析器52结合分析磁铁51可排除本底干扰，其偏转半径和偏转角度等根据测量需求设置。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的另一个实施例，装置100还包括：设置在注入磁铁21输出端的狭缝81、设置在分析磁铁51输出端的狭缝82以及设置在静电分析器52输出端的狭缝83。

进一步的，为有效排除杂质本底干扰，本实施例设置多个宽度可调的狭缝，例如在注入磁铁21的物点和像点、以及静电分析器52的物点和像点均设置狭缝，以使待测粒子通过，而对干扰粒子进行阻挡。

在上述实施例的基础上，参阅图1，探测系统60包括探测器及数据分析测量单元，探测器测量经静电分析器分析后的正离子，数据分析测量单元测量同位素的含量及丰度比。

具体的，经上述系统排除了各种干扰后，待测核素到达探测器进行测量，由此本发明实施例的装置可提高测量的灵敏度；同时的，经注入系统注入多种同位素时，在数据分析测量单元可实现多种同位素的含量及丰度比值测量，有利于提高测量时效。

根据本发明实施例的加速器质谱装置，具有以下有益效果中的至少一个：

采用单极加速的形式，不同于采用串列加速的形式，将离子源和注入系统设置在高压台架上，省略了部分加速管及加速管绝缘系统，有利于降低成本；

满足测量需求的前提下采用的加速电压低，可减少耗电、节约成本；各系统结构紧凑，占地面积小，有利于装置整体的小型化。

请参阅图1，本发明的加速器质谱装置的一个优选的实施例，以测量¹⁴C为例，结合各系统的结构、作用等进行说明：

离子源10：本实施例中将含有¹⁴C的物质制成靶，采用离子源对靶进行溅射从而产生负离子束流，其中，含有¹⁴C的物质例如为石墨，离子源例如采用铯溅射负离子源，利用铯离子束溅射靶从而产生含有¹⁴C的负离子束流，该铯溅射负离子源例如可具有多个靶位，以提高电离效率、获得高的束流强度。本实施例的离子源可实现靶位的精确控制，控制精度可到0.1mm，有助于提高离子源引出的束流强度和提高测量稳定性。

注入系统20：由上述离子源10引出的负离子包括¹²C、¹³C及¹⁴C负离子，经过注入磁铁21后，¹²C、¹³C及¹⁴C负离子被分离开，根据预先设定的注入磁铁21的磁场，将¹⁴C负离子(包括¹³CH、¹²CH₂负离子)偏转到加速管30中，将¹²C、¹³C负离子偏转到测量单元22中进行测量；本实施例中，测量单元22为两个可移动的偏置法拉第杯，用于测量稳定的¹²C、¹³C负离子。

其中，交替注入单元是在注入磁铁的真空盒加交替电压，从而可将¹³C和¹⁴C束流交替注入到加速管30中。

加速管30：经过注入系统20分离后的负离子进入加速管30中，本实施例的加速管30可分为预加速段和主加速段，预加速段实现离子从离子源的引出；主加速段对交替注入的¹³C或¹⁴C负离子进行加速，提高其能量。

在本实施例中，加速管30采用大气绝缘，承受200kV的电压。

气体剥离系统40：对经过加速的¹⁴C负离子(包括¹³CH、¹²CH₂负离子)进行剥离，其中，将¹⁴C负离子转化为¹⁴C正离子，以及将分子离子(¹³CH负离子)瓦解成单原子离子，即¹³CH负离子被瓦解成¹³C正离子。

对于当注入¹³C负离子(包括¹²CH负离子)时，其经过气体剥离后，¹³C负离子转化为¹³C正离子，同时，¹²CH负离子被瓦解成¹²C正离子。

本实施例采用气体剥离技术，可有效排除分子离子的本底干扰。

分析系统50：经上述气体剥离后的正离子进入分析磁铁51进行动量分析，待测¹⁴C正离子经质量、能量和电荷被选定后送入静电分析器52进行进一步分析，由此可消除一部分杂质本底干扰。

同时的，本实施例中，在分析磁铁51的输出端设置三个偏置法拉第杯53，用来测量¹³CH负离子瓦解所得的¹³C正离子(注入源为¹⁴C束流)以及¹³C正离子和¹²CH负离子瓦解所得的¹²C正离子(注入源为¹³C束流)，由此本申请的装置在实现测量¹⁴C的同时还测量¹²C和¹³C同位素。

进一步的，经过动量分析的¹⁴C正离子进入静电分析器52进行能量分析，静电分析器52通过调节电场将干扰粒子排除，同时将¹⁴C正离子送入探测系统60中。

探测系统60：本实施例的探测系统不仅包括探测器，例如采用金硅面垒型半导体探测器测量¹⁴C；还包括用于¹³C和¹²C测量的束流监测与积分系统。

束流传输系统70：进一步的，为提高束流传输效率，本实施例在离子源10与加速管30之间设置束流传输系统70，具体的，在离子源10与注入系统20之间设置导向器71，以调节束流位置，使束流沿管道中心传输；以及在注入系统20与加速管30之间设置静电四级透镜72，对束流聚焦。

狭缝81、82、83：本实施例还设置多个宽度可调的狭缝，以便进一步排除杂质本底干扰。

本发明实施例的加速器质谱装置，采用单极加速的形式，不同于采用串列加速的形式，将离子源和注入系统设置在具有预设电压的台架上，省略了部分加速管及加速管绝缘系统，有利于降低成本；在分析磁铁51的输出端设置三个偏置法拉第杯53，仅需交替注入¹³C和¹⁴C，即可实现对¹²C、¹³C及¹⁴C三种离子的测量，以及进行¹⁴C/¹²C、¹³C/¹²C比值的测定，相比需要注入¹²C、¹³C及¹⁴C才能实现上述测量，本发明的加速器质谱装置所需的能量低，且操作简单，有利于简化测量流程。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种用于同位素测量的加速器质谱装置(100)，包括：

离子源(10)、注入系统(20)、加速管(30)、气体剥离系统(40)、分析系统(50)以及探测系统(60)，其中，

所述离子源(10)与所述注入系统(20)连接，

所述注入系统(20)的输出端与所述加速管(30)连接，

所述加速管(30)的输出端与所述气体剥离系统(40)连接，

所述气体剥离系统(40)的输出端与所述分析系统(50)连接，所述分析系统(50)连接至所述探测系统(60)；

其中，所述离子源(10)用于产生同位素负离子；

所述注入系统(20)对所述同位素负离子进行分离，并且使所述同位素负离子交替注入所述加速管(30)；

所述加速管(30)对经所述注入系统(20)分离后的负离子进行加速；

所述气体剥离系统(40)将所述加速后的负离子转化为正离子，同时将分子离子瓦解；

所述分析系统(50)对所述正离子进行分析后将所述正离子送入所述探测系统(60)，所述探测系统(60)对上述正离子进行测量。

2.根据权利要求1所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述注入系统(20)包括注入磁铁(21)、交替注入单元和测量单元(22)，所述测量单元(22)设置在所述注入磁铁(21)的输出端；

所述注入磁铁(21)用于将所述离子源(10)产生的负离子偏转至预设轨道；

所述交替注入单元用于将所述负离子交替注入至所述加速管(30)；

所述测量单元(22)用于对部分所述负离子测量。

3.根据权利要求2所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述测量单元(22)为偏置法拉第杯。

4.根据权利要求3所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述分析系统(50)包括分析磁铁(51)和静电分析器(52)；

所述分析磁铁(51)的输出端设置偏置法拉第杯(53)，用于测量经所述气体剥离系统(40)产生的同位素正离子。

5.根据权利要求1所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述离子源(10)及所述注入系统(20)设置在具有预设电压的台架上，所述气体剥离系统(40)、所述分析系统(50)及所述探测系统(60)均处于地电位。

6.根据权利要求1所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述气体剥离系统(40)包括剥离管(41)，所述剥离管(41)的两侧设置分子泵(42)。

7.根据权利要求1所述的加速器质谱装置(100)，其中，还包括：

束流传输系统(70)，所述束流传输系统(70)设置在所述离子源(10)与所述加速管(30)之间；

所述束流传输系统(70)包括导向器(71)和静电四级透镜(72)，所述导向器(71)设置在所述离子源(10)与所述注入系统(20)之间，用于调节束流位置；

所述静电四级透镜(72)设置在所述注入系统(20)与所述加速管(30)之间，用于对离子束流聚焦。

8.根据权利要求4所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述注入磁铁(21)及所述分析磁铁(51)均采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦二极磁铁。

9.根据权利要求8所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述静电分析器(52)采用偏转半径为35cm、偏转角度为90度的双聚焦球面型静电分析器。

10.根据权利要求9所述的加速器质谱装置(100)，其中，还包括：

设置在所述注入磁铁(21)输出端的狭缝(81)、设置在所述分析磁铁(51)输出端的狭缝(82)以及设置在所述静电分析器(52)输出端的狭缝(83)。

11.根据权利要求10所述的加速器质谱装置(100)，其中，

所述探测系统(60)包括探测器及数据分析测量单元，所述探测器测量经所述静电分析器分析后的正离子，所述数据分析测量单元测量同位素的含量及丰度比。

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